矿山地应力测试方案

1、矿山地应力测试工作方案省XXXXXX勘察院2015年4月 TOC o 1-5 h z 前言2地应力的基本原理2地应力的基本概念22.2地应力的组成部分和影响因素 32.3 地应力场的变化规律52.4我国地应力场的区域划分 83水压致裂法试验介绍93.1水压致裂法基本原理93.2水压致裂法地应力测量的主要设备 143.3水压致裂法测试步骤154测试结果17参数确定17现场实测185测试成果综合分析215.1试验结果的可靠性分析215.2最大水平主应力的量级 21最大水平主应力的方向 215.4侧压系数及应力构成分析215.5分析最大、最小水平主应力与岩层深度的关系226地应力场反演分析236.1

2、有限元数学模型多元回归分析法基本原理246.2回归结果分析25地应力是引起采矿和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破 坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实 现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。地应力是所有地下工程，包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。 地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力。在没有开挖工程扰 动的情况下，岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖，打破了 原始平衡状态，导致地应力的释放，从而引起岩体的变形和向自由面的 位移，引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围 岩局部的或整体的失稳和破坏，这就是地压形成的过程和机理。

3、因此， 从本质上来定义，地压就是岩体因受开挖扰动而产生的力学效应。它与 岩体的受力状态、岩体结构和重量、岩体物理力学性质、工程地质条件 以及时间等因素有关。2地应力的基本原理2.1地应力的基本概念蓄存在岩体部未受扰动的应力，称之为地应力（Insitu stress或 Geostress），它是岩体中存在的一种固有力学状态，是岩体区别于其它 固体如土体的最基本特征。地应力的概念最早是由瑞士地质学家海姆（Heim，1905-1912）提出。 他认为，岩体中有应力存在，并处于近似静水压力状态。应力的大小等 于上覆岩体的自重，即岩体中各个方向的应力均等于yH （y为岩体的重 度，H为研究点的深度）。此

4、后，金尼克（1926）又根据弹性理论分析，假 定岩体是均匀、连续的弹性介质，提出岩体的铅垂应力为yH，而水平应力应等于 yH的假说侦为岩石的泊松比，上为侧压系数）。按照金 1 - 1 - 尼克的理论，海姆假说只是金尼克假说在p=0.5时的一个特例。然而，随着地应力现场实测资料的积累，表明在浅层的地应力并不 符合海姆和金尼克假说。瑞典哈斯特(Hast.N)于1952-1953年应用压磁 式应力计在斯堪的纳维亚半岛的4个矿区进行了地应力实验。结果表明， 实测的水平应力普遍比铅垂应力要高。此后，许多国家相继发展了多种 在钻孔中测量地应力的方法，也都得到了相似的结论。1978年霍克和布 朗(Hoek

5、& Brown)在研究了大量的实测地应力资料后指出，一般而言， 岩体结构中的铅垂向地应力主要由上覆岩体的自重产生，水平向地应力 介于同一深度的铅垂向地应力分量的一半到3倍左右，深部岩体(距地 表千米以上)的应力状态，比较接近海姆假说。2.2地应力的组成部分和影响因素地应力主要由五个部分组成，即岩体自重、地质构造、地形势、剥 蚀作用和封闭应力。自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古 地质构造运动应力和新构造运动应力，前者是地质历史上由于构造运动 残留于岩体部的应力，也称构造残余应力；后者是现今正在形成某种构 造体系和构造型式的应力。地形势与剥蚀作用引起的应力仅仅表现在局 部的

6、应力场会受到影响。例如，高山峡谷或深切山谷底部的应力往往比 较集中；地表剥蚀会使该处地应力的铅垂方向分量降低得较多，而水平 分量基本保持不变。封闭应力是地壳经受高温、高压引起的岩石变形时， 由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦，部分变形受到阻碍而将应力封闭在 岩石之中，并处于平衡状态，即使卸载，其变形往往不能完全恢复，故 称封闭应力。一般认为，浅层岩体中地应力的分布有以下5个方面的影响因素。2.2.1 地质构造对地应力的影响地质构造对地应力的影响主要表现在影响应力的分布和传递方 面；在均匀应力场中，断裂构造对地应力量值和方向的影响是局部 的；在同一地质构造单元，被断层或其它大结构面切割的各大块体 中

7、的地应力量值和方向均较一致，而靠近断裂或其它分离面附近，特别 是在拐弯处、分叉处及两端，因为都是应力集中地带，其量值和方向均 有较大变化；在活动断层附近和地震区，地应力的量值和方向均有较大变化。 2.2.2地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响地形地貌对地应力的影响十分复杂，至今没有统一的结论。剥蚀作用对地应力有显著的影响。剥蚀前，岩体存在一定量值的铅 垂应力和水平应力。剥蚀后，铅垂应力降低得较多，而水平应力降低得 比较少，基本上保持原来的应力量值。2.2.3岩石力学性质对地应力的影响从能量积累的观点来看，岩体地应力是能量积累与释放的结果。岩 体地应力的上限必然受到岩体强度的限制。因此，岩石力学性质

8、对地应 力的影响是显而易见的。杰格尔(Jaeger)曾提出地应力与岩石的抗压强 度成正比的概念。光煜、白世伟通过大量的统计资料提出用岩体弹性模 量(E)来评价岩石力学性质与地应力的关系。统计结果表明，E=50GPa以 上的岩体，岩体中的地应力一般为10 30MPa,而E小于10GPa的岩体， 地应力很少超过10MPa。他们的统计结果还表明，在相同的地质环境中， 当岩体的弹性模量分别2GPa和100GPa时，地应力值分别为3MPa和 30MPa。因此，弹性模量较大的岩体有利于地应力的积累，其地应力值 也往往较高。2.2.4水对地应力的影响水对岩体中地应力的影响是显而易见的。由于岩体中水的存在而形

9、 成的岩石孔隙水压力于岩石骨架承受的应力共同组成岩体的地应力。因 此，孔隙水压力高的地区，岩体地应力的量值也会相应增加。2.2.5温度对地应力的影响岩体温度对地应力的影响主要表现在两个方面：地温梯度和岩体局部受温度影响。一般而言，岩体温度应力为压应力，并随深度的增加而增加，因此， 随着地温梯度的增加，地应力的量值有增加的趋势。当岩体局部受温度影响时，由于温度分布不均匀，会产生收缩和膨 胀，导致岩体部产生应力，影响岩体的地应力量值。2.3地应力场的变化规律由于地应力的非均匀性以及地质构造、地形和岩体力学特性等的影 响，地应力的变化规律没有明显的确定性。但从实测资料来看，浅层（深 度小于3000米

10、）地应力总体上遵循如下的规律：2.3.1地应力是一个相对稳定的非稳定应力场岩体中地应力除地壳深层外，绝大多数是以水平应力为主的三向不 等压的三维应力场。三个主应力的量值和方向随着空间位置和时间的变 化而变化。地应力在空间上的变化程度，就一个小围来讲，例如一个水利枢纽 工程或矿山工程，地应力的量值和方向从一个地段到另一个地段发生变 化。但对大的区域整体而言，地应力的变化特别是最大主应力的方向是 不大的，例如，我北地区，地应力的主导方向为北西西和近东西向。地应力的量值和方向在时间上的变化，就人类工程活动所延续的时 间而言，变化是缓慢的，可以忽略不计。2.3.2实测铅垂应力基本上等于上覆岩层重量布朗

11、（Brown）在总结世界上大量的地应力现场实验资料表明，在深 度为252700米围，地应力的铅垂向分量基本上等于上覆岩层重量，除 少数实验点偏离较远之外（分散度小于5%），其随深度的变化按照岩石重 度成线性增加，如图4.1所示。2.3.3水平应力分量普遍大于铅垂应力分量国外地应力现场实验结果表明，在较浅地层中，地应力的水平向应 力分量绝大多数大于铅垂向分量。最大水平向应力与铅垂向应力比值 （侧压系数）一般为0.55.5，大部分在0.81.2之间。最大值甚至达到30或更大。目前，国外习惯采用两个水平方向应力的平均值a睥与铅垂向应力 的比值。的比值来表示侧压系数。此比值一般在0.55?0之间，我国

12、的 实测值大多数在0.33.0之间，如表3.1所示。表3.1 a /a的统计结果国家名称a. / a百分比a / a比值1.2中国3240282.09澳大利亚022782.95加拿大001002.56美国1841413.29挪威1717665.56瑞典001004.99南非4124352.50前联5129204.30其它地区37.537.5251.962.3.4平均水平应力与铅垂应力比值（侧压系数人）同深度之间关系侧压系数a睥/a,是表征地区地应力特性的主要指标之一。一般而 言，该值随深度增加而减小，但在不同区域，有较大差异。布朗（Brown） 根据图3.1的统计结果提出下式来描述这种变化趋势

13、：100H+ 0.3 100H+ 0.3 X 1500+ 0.5(1)已有的现场实验资料也表明（图3.2），在钻孔深度较浅（小于1000 米）时，人比较分散，数值也较大。随着深度的增加，人的分散减小，并 且向趋于1附近集中，类似前述的海姆假说的静水压力状态。2.3.5最大水平主应力方向与地质构造的关系岩体中现存的最大水平主应力方向主要取决于现在的地质构造应力场。现场实验结果表明，最大主应力方向与地质构造的关系十分复杂， 有的地区最大主应力场方向与构造线垂直，有的则平行。图3.1地应力的铅垂向分量随深度的变化规律平,水平器应力*垂成力图3.2地应力的侧压系数随深度的变化规律2.4我国地应力场的区

14、域划分根据大量的现场实验结果，我国地应力场的最大水平主应力方向有 较明显的分区特征，如图3.3所示。华北地区，主压应力方向以太行山为界，太行山以东的华北平原及 其周边山区，其主压应力方向为近东西向；太行山以西，主压应力方向 近东南。岭构造带以南，主压应力方向为北西西至北西向。东北地区主压应力方向以北东东为主。西部地区测得的主压应力方向以北北向为主，个别近东南方向。地应力量值在我国的东西部地区有较大的差别。东部地区的地应力 量值比较低，在300m深度，一般地应力最大值为8MPa左右。西部地区， 地应力量值比较高。例如，在二滩水电站实测的水平最大主应力量值在 山谷应力集中处高达40-65MPa。图

15、3.3我国地应力场的最大水平主应力方向分布3水压致裂法试验介绍国际岩石力学学会测试方法委员会1987年颁布了 “测定岩石应 力的建议方法”。包括USBM型钻孔孔径变形计的钻孔孔径变形测量 法、CSIR(CSIRO)型钻孔三轴应变计钻孔孔壁应变测量法、水压致裂 法和岩体表面应力的应力恢复测量法。与其它三种测量方法相比，水压致裂法具有以下其它优点：测量深度深；资料整理时不需要岩石弹性参数参与计算，可以避免因岩石 弹性参数取值不准引起的误差；岩壁受力围较广(钻孔承压段程度可达1-2米)，可以避免 “点”应力状态的局限性和地质条件不均匀性的影响；操作简单，测试周期短。因此，水压致裂法广泛地应用于水电、

16、交通、矿山等岩石工程以 及地球动力学研究的各个领域。3.1水压致裂法基本原理水压致裂法地应力测量利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的 测试深度封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔施压，根据压裂过 程曲线的压力特征值计算地应力。水压致裂法地应力测量原理以弹性力学平面问题为基础，并引入 了如下三个假设：围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体；围岩为多孔介质时，注入的流体按达西定律在岩体孔隙中流 动；岩体中地应力的一个主方向为铅垂方向，与铅垂向测孔一致， 大小等于上覆岩层的压力。根据弹性理论，当在具有应力场的岩体中钻一钻孔，钻孔周边岩体将产生二次应力场（图4.1），它与地应力之间的关系如下:S =(1

17、-竺)+ 广七(1 + 3生-4)cos20+T (1 + 3仁-4竺)sin2。 r 2r 22r 4r 2r 4 r 2；=y(1 + 竺)-七七(i + 3i)cos20-t (1 + 3空)sin20 TOC o 1-5 h z 02 r 22r 4xyr 4、a 2a 2-b ) cos 20 + 2tsin 20，0-=bx by (1 -3a4 + 2a2)sin20+T (1 -3a4 + 2吃)cos2，0-2r 4 r 2x，r 4r 2t = (t cos0 -t sin0)(1 + 竺)Trz=(t . sin0 -tcos0)(1 Trz式中，a为钻孔半径，r为径向距

18、离，0为极径与轴X的夹角，Z 为钻孔轴向，指向孔口。h为岩石泊松比，b 为原始轴向主应力（由上 覆岩石自重确定）。图3.1岩体中含一钻孔的应力分布在钻孔孔壁处（r = a ）的应力状态为:% = (b +b ) - 2(b -b )cos 20 -4t sin 20 b = -2pb -b )cos20 + 2t sin20Lbt = 2t . cos20 -2t sin0注意到地应力场中的一主应力为钻孔轴线方向，有V =二二0，同时，坐标轴X取在钻孔截面的最大水平主应力方向， 房方便起见去掉式(3)中的上标，式(3)为：气二(b +。) 一 2(b -b ) cos 20b =2p(b -b

19、 )cos20 + b(4)式中，b h和b:分别为钻孔横截面上最大和最小水平主应力，0为 极角，以逆时针为正。当钻孔承压注液受压尸时，围岩即产生附加应力场。根据无限厚壁圆筒弹性理论解，围岩产生的附加应力场为：b=-P 竺 TOC o 1-5 h z 0 r 2b=p ar w r 2在钻孔孔壁(r = a )处，注液受压引起的围岩应力状态为ff73b = P0wb = P(6)水压致裂法地应力测量钻孔岩壁上的应力状态，是地应力二次应力场与液压引起的附加应力场的叠加，即b0 = (b +b ) 2(b b )cos20 Pb = 2 p (b b ) cos 20 + bb = P(7)水压致

20、裂法地应力测量的经典理论采用最大单轴拉应力破坏准则。在这种破坏准则的制约下，式(7)中轴向应力二仅仅与地应力状 态有关，与液压大小无关，它与径向应力b r仅仅提供了钻孔岩壁三维 应力状态的条件，与围岩产生破裂状况无关:一般不讨论。对围岩破 裂起控制作用的是切向应力气，当钻孔承压段注液受压后，切向压力 气以液压等量值降低，最后转化为拉应力状态。水压致裂法地应力测量时，破裂缝产生在钻孔岩壁上拉应力最大 的部位。由式（7）可知，在钻孔岩壁极角。=0或兀的位置上，也就是最 大水平主应力方向，钻孔岩壁的切向应力最小（压应力为正），其量值 为：。疽气F , - Pw（8）由式（8）可知，当液压增加时，钻孔

21、岩壁切向应力 气逐渐下降为 拉应力状态，随着液压P的增加，拉应力也逐渐增加，当拉应力等于 或大于围岩的抗拉强度时，钻孔岩壁出现裂缝。这时承压段的液压 就是破裂压力匕。因此，钻孔承压段周围岩壁围岩产生破裂（不考虑 孔隙水压力）的应力条件为：3c -Q - P +b = 0（9）在深层岩体中，还存在孔隙水压力P0，因此，岩体中的有效应力 为c-P0。考虑岩体中的孔隙水压力等作用：钻孔承压段周围岩壁围岩 产生破裂的应力条件为（海姆森）：P -P = 3（七-尸0）-（bP0）+ 七 TOC o 1-5 h z b 0K（10）式中，K为孔隙渗透弹性参数，可在试验室确定，其变化围为1 K b取为第一次

22、压裂循环增压曲线 的峰值。重压力P采用第二次及其以后压裂循环曲线压力上升部分拐 点处的压力。由于压力上升部分曲线变化较陡，也可以把偏离直线（或 近似直线）处的压力视为重压力，如图5.1所示。对于瞬时关闭压力ps 通常采用破裂压力和重压力之后压裂循环曲线下降部分拐点处的压力。对于拐点不明显的情况，可采用切线法和双切线法，如图5.2所 示。岩体孔隙水压力P0可采用孔隙水压力计测量确定。实测结果表明， 一般情况下，岩体中的孔隙水压力大体相当于静水压力，因此，在没 有实际测量孔隙水压力的情况下可以用该测段的静水压力代替孔隙水压力。本项目中采用各钻孔测段的静水压力代替孔隙水压力，计算式为：P0 =y水H

23、，其中，气为水的重度，H为岩层深度。同时，根据上述章节的分析，钻孔各测段的垂直向主应力确定为： b =yH，式中，Y为岩层的重度，取为26000N/m3，H为岩层深度。压力(Wa)如：G图5.1依据压力循环曲线确定P、尸示意图$r匚JIV* ff也 乏二富匚JIV* ff也 乏二富图5.2拐点法、切线法以及双切线法确定p示意图$4.2现场实测4.2.1水压致裂地应力测试成果对岩体能够满足试验条件部位都进行了水压致裂地应力试验，并获得试验曲线，其测量结果记录如表4.1所示。各测段压力、时间曲线如图4.1，地应力测量破裂缝代表性记录见图4.2表4.1水压致裂成果表深度/m破 裂 压 力Pb/MPa

24、重 压力p、/MPa关闭压力P/MPa水头压力p H/MPa孔隙压力P0/MPa抗拉 强度 MPa最大 水平 主应 力bH /MPa最小 水平 主应 力b h /MPa垂直应力bV/MPa最大水平主应力方向注：表中自重应力按岩石的上覆重量计算，其岩石容重N/m3。图4.1压力、时间现场实测曲线图4.2破裂缝记录示意图5测试成果综合分析5.1试验结果的可靠性分析分析判断现场试验各试验段的压力一时间关系曲线是否符合理论 曲线，压裂过程中的规律性性特征，有无异常现象。印模器上印迹是否 清晰。判断试验数据的可靠性。5.2最大水平主应力的量级在测试深度围，确定最大水平主应力值最大值、确定最小水平主应 力

25、值最大值。5.3最大水平主应力的方向根据测试表确定实测深度围，最大水平主应力方向。5.4侧压系数及应力构成分析测试孔侧压系数入（实测最大水平主应力与铅垂向应力比值 X H：PV ）随深度的关系曲线如图5.1所示。侧压系数随深度分布规律 性符合测试钻孔区域地应力的分布规律。5.5分析最大、最小水平主应力与岩层深度的关系分析实测最大、最小水平主应力及自重应力随岩层深度变化关系曲 线。根据测试孔应力随深度变化关系曲线，分析测孔的应力值判断岩性 及岩体的完整性影响程度，岩体完整特性、强度高的岩体其应力特征， 测孔的应力随深度变化的趋势。6地应力场反演分析地应力现场测试是提供区域地应力场最为直接的途径，

26、但因测试 费用昂贵、试验场地限制和地质条件复杂等因素，不可能进行详尽而 大量的测试工作，各测点的测量成果往往只能反映局部应力场，并且 地应力测试成果一般离散性较大。为了更好地满足工程设计和施工需 要，应在实测地应力结果的基础上，结合地质条件，通过有效的计算 分析方法，进行地应力场的反演分析，以获得更为准确，且适用较大 围的地应力场，主要手段是利用少数测点去反演工程区的初始地应力 场。地应力是地壳运动的结果，目前还不可能做到定量地以地球发展 的历史为根据去求解可供工程应用的初始地应力场。对于工程建设， 从某种程度上说，岩体初始应力场的反演，即通过计算，得到一个模 拟的应力场，使实测点的应力值与模

27、拟场中相应点的应力值之差在满 足工程要求的允许围，因此，运用数值方法反演岩体初始应力场时， 为了尽可能简化计算，对初始应力场的形成因素进行取舍。根据宗基的观点，初始应力场可视为忽略时间因素的相对稳定应 力场，主要来源于岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封 闭压力。目前对应力场组成的分析主要考虑自重、构造和地形地貌和 剥蚀作用。一般认为地应力主要由岩体自重应力和地质构造应力两部 分组成，而地形地貌和剥蚀作用对应力场的影响是局部的。目前在岩体工程的稳定性分析中，初始地应力场主要通过三种途 径进行计算。第一途径是按照某种理论给出假定的初始应力场，象工 程中常用的按某种侧压系数的方法来假定初始

28、应力场，这样的设定最 少在概念上反映了时效和地质历史的影响，但在地表不平、埋深较浅 的围里常常是有疑问的，甚至不能采用。第二种途径是根据试验洞或 边坡的实测位移等间接手段求解应力场，这种方法求的应力场仅适用 于局部，且地质条件相对简单。第二种途径是根据实测地应力资料， 结合其它数学一力学方法进行应力场反演，常用的边界荷载调整法、 应力函数法、有限元多元线性回归法、还有各种智能方法等。有限元数学模型多元线性回归法即能考虑复杂地形地貌和各种地 质条件，具有很好的适用性，又可通过多元回归分析法用概率统计理 论使实测值和回归值的残差平方和达到最小，求解过程中可对待定因 素进行筛选，以达到解的唯一性，可对应力场的成因进行分析，并且 可计算主要工程区的各部位应力场。所以该方法在地应力的反演中得 到了广泛应用。本报告采用该方法进行应力场反演分析。6.1有限元数学模型多元回归分析法基本原理根据地质力学分析，地应力场的主要组成成分为自重应力场和构 造应力场，地应力场分析依据这一观点建